CN102930589B - 一种非结构直角网格相贯线修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非结构直角网格相贯线修正方法，包括以下步骤：对物体形状进行描述生成背景网格的步骤；设置网格生成参数的步骤；根据背景网格及设置参数生成叉树结构的步骤；删除物形以内以及与物形相交单元，产生锯齿形内面的步骤；对锯齿形内面进行光顺，得到光顺后内面的步骤；对光顺后内面进行相贯线修正和投影的步骤；计算网格量并输出网格信息的步骤。本发明解决了在计算流体力学中计算网格生成时可能出现的，由于光顺、投影等步骤导致的物面失真，且通过相贯线逆向投影修正的方式，可以保证最终生成的计算网格物面逼近原始物形。

Description

一种非结构直角网格相贯线修正方法

技术领域

本发明涉及一种非结构直角网格相贯线修正方法。

背景技术

计算流体力学(CFD)是现代流体力学研究方法中的重要手段，而网格生成技术是CFD中的关键环节。按照网格类型划分，计算网格可分为结构网格和非结构网格。结构网格节点变化有序，求解效率、精度较高，但处理复杂外形时较为繁琐；非结构网格节点和单元形成具有随意性，处理外形时比较灵活，更适合复杂外形，非结构直角网格就属于非结构网格范畴。

非结构直角网格的生成是采用叉树结构的方式，图1所示即为采用八叉树的方式将单元一分为八，从而实现网格的加密。由于直角网格各网格面、边完全正交，而需要拟合的物形可能为任意形状，因此原始的直角网格在物面边界处往往不能达到完全贴体，因此如何处理物面边界成为非结构直角网格应用中最为关键的技术。目前较为流行的边界处理方法可分为两类，一类是非贴体的方式，即在处理物面边界时不改变网格形状，只是通过各种数值手段计算边界附近网格的各物理量；另一类为贴体的方式，即在处理边界时将流场内的网格点光顺、投影，生成贴体的网格，图2所示为采用贴体的方式处理直角网格边界的过程。

本技术是针对采用贴体方式处理边界时可能出现的物面网格失真而提出的。由于贴体网格生成过程一般是采用最近距离投影的方式，因此原物体某些特征(包括但不限于边、角、凸起或凹陷等)可能在投影过程中被抹去。如图3a所示为一圆柱外形的原始模型，而图3b为采用非结构直角网格方法生成的物面网格，可以明显看到经过光顺、投影等过程之后，原圆柱底面与侧面锐利的交接处已经发生了变形，已不符合原始物形了。在数值计算过程中，这种失真的计算网格对计算的精度将有严重影响，通常的处理方式是在网格生成过程中进行特殊处理，相贯线修正方法是处理的方式之一。

所谓相贯线是指物体几何外形中，不同曲面相交形成的交线，如图3a中圆柱底面与侧面的交线即为典型的相贯线。从数学的角度讲，通常单一曲面空间坐标的导数是连续的，但在相贯线位置由于是两个不同曲面相交的位置，容易出现空间坐标导数不连续的情况。在网格生成中生成贴体网格时，通常是采用搜索最近距离的方式投影，这种方式在处理空间坐标导数连续的曲面时能高效的逼近原始物形；但当原始物形物面导数不连续时，往往会出现物面的失真。因此在做物面网格保型处理时，相贯线位置的修正是最重要的部分。

在之前的直角贴体网格应用过程中，网格失真问题一般采用相贯线附近局部加密或强制投影的方式进行修正。局部加密的方式即在空间坐标不连续位置进行多次加密，这种方式可以有效降低失真的范围，且随着加密层数的增加，可逐步逼近实际外形；但网格的加密会导致网格量的迅速增长，如采用八叉树加密方式，网格数是以(N为加密层数)的速率增长，这也必将导致计算量的激增。强制投影的方式是在特定位置指定投影方向，或是在投影完成后将投影点进行强制移动的方式，这种方法在处理简单外形的物面网格局部失真问题比较方便，但当外形较为复杂时，可能导致投影线的交叉、粘性层网格的交错，影响网格质量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种非结构直角网格相贯线修正方法，解决了在计算流体力学中计算网格生成时可能出现的，由于光顺、投影等步骤导致的物面失真，且通过相贯线逆向投影修正的方式，可以保证最终生成的计算网格物面逼近原始物形。

本发明的技术解决方案是：

首先分析物体几何外形，提取需要保留的外形特征。主要是从物体的几何外形中找出物形空间坐标导数不连续的位置，为之后的修正过程做准备。这些空间坐标导数不连续位置通常出现在物形上不同曲面相交的位置，即通常所说的相贯线位置，因此提取得到的外形特征通常为物形上的相贯线。根据提取得到的各相贯线，可以将物形划分为若干区域，这种划分的区域在之后的相贯线修正过程中，能提高修正中投影的效率。

相贯线修正过程是在非结构贴体直角网格生成时投影生成粘性层网格之前进行。相关线修正时，首先将提取得到的相贯线向内面逆向投影。通常的投影方法是将内面上各网格点向物形投影，而本发明为先将物形上相贯线向内面投影，由于此投影方向与常规的投影方法中完全相反，因此称之为逆向投影。完成逆向投影后在内面上将得到对应的投影线，此时内面被投影线划分为若干区域，且内面上各区域与物形上被相贯线划分的各区域对应。

之后将内面上各网格点向物形上投影，此过程与通常网格生成中投影过程相比，主要特征在于处于投影线上的各网格点仅向对应的相贯线投影，以保证相贯线位置网格不失真；且投影的目标区域仅限于与网格点所在内面区域对应的物形区域，与通常的全局搜索投影点的方式相比，能大大提高投影的效率，且在对应区域内投影，能保证投影线不交叉、生成的投影层网格不扭曲，进而保证生成的计算网格具有较高的质量。

本发明的具体包括以下步骤：

步骤1：对物体形状进行描述生成背景网格；

步骤2：设置网格生成参数；

步骤3：根据背景网格及设置参数生成叉树结构；

步骤4：删除物形以内以及与物形相交单元，产生锯齿形内面；

步骤5：对锯齿形内面进行光顺，得到光顺后内面；

步骤6：对光顺后内面进行相贯线修正和投影；

步骤7：计算网格量并输出网格信息的步骤。

在上述步骤6中又进一步分为以下过程：

步骤(1)从物形上空间坐标导数不连续的位置提取相贯线，并根据相贯线将物形划分成不同区域；

步骤(2)将所述相贯线向内面投影，并根据投影得到的投影线将内面进行划分获得与步骤(2)物形划分后一一对应的区域；

步骤(3)将内面上各区域网格点向物形上对应区域投影得到投影层；

步骤(4)对步骤(3)得到的投影层进行分层加密，得到粘性层网格。

在所述步骤(1)中提取相贯线的方法为：从物形背景网格中，提取网格线左右网格面法线夹角大于设定阈值处视为左右空间坐标导数不连续的位置，并将该位置相连得到相贯线。

在所述步骤(2)中，将所述相贯线向内面投影时，要求投影点位于内面网格点或内面网格线上，且所有投影点的连线为内面上连续的网格线。

在所述步骤(3)中，将内面上各区域网格点向物形上对应区域投影时，位于投影线上的网格点仅向对应的相贯线投影。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明根据直角网格物面贴体网格生成的特点，通过逆向投影的方法，保证贴体网格生成过程不会出现物面网格失真的情况，与单独的分区加密相比，本发明采用的方法能用较少的网格量实现更高的网格质量；

(2)在逆向投影过程中可自动实现内面分区，在内面与物面对应分区内进行投影，与通常的强制投影方式相比，本发明采用的方法能有效避免投影线的交叉、粘性层网格交错的情况；

(3)由于逆向投影后内面分区与物面分区一一对应，因此最后生成粘性层网格时，只需在对应区域内进行搜索投影，与通常采用的全局投影相比能大大提高投影效率；

(4)整个修正过程，包括相贯线位置的确定、相贯线逆向投影过程以及之后的投影层网格的生成能全自动进行，不需要任何人工干预，特别适合于处理复杂外形。

附图说明

图1为八叉树网格生成方式；

图2为贴体网格生成方式，其中图2a为原始网格，图2b为光顺后网格，图2c为投影后网格；

图3为原始贴体直角网格生成方法物面失真示意图，其中图3a为圆柱模型局部示意图，图3b为生成的物面网格；

图4为应用了本发明的圆柱外形非结构直角网格生成过程示意图，其中图4a为圆柱外形背景网格，图4b为计算域的取法，图4c为生成的空间叉树结构网格，图4d为锯齿形内面示意图，图4e为光顺后内面示意图以及相贯线在内面上的投影线，图4f为应用了相贯线修正生成的圆柱物面网格，图4g为最终生成的粘性层网格示意图；

图5为本发明流程图。

具体实施方式

下面将结合圆柱外形的非结构直角网格生成过程及图5所示流程图对本发明做进一步介绍。非结构直角网格生成过程主要包括以下几个部分：

步骤1：对物体形状进行描述生成背景网格

首先需要提供物形的背景网格，即将原始物形表示为很多小的背景网格面的集合，如图4a即为圆柱外形的背景网格示意图。背景网格可以是三角形、四边形或其他任意多边形，此网格仅为外形输入文件，即告诉程序需要描述的物体的外形。

步骤2：设置网格生成参数

根据数值计算的要求输入网格生成的各项参数，如计算域的大小(图4b所示为此圆柱网格计算域的取法)、第一层网格大小、网格加密层数等，同时输入网格生成过程的物形背景网格等文件。

步骤3：根据背景网格及设置参数生成叉树结构

根据输入的物形背景网格以及各设置参数，首先将计算域划分成初始网格，之后将网格中距物形较近的单元进行叉树加密，生成符合设置条件的叉树结构网格，图4c所示为在计算域内经过3层加密生成的叉树结构网格；

步骤4：删除物形以内以及与物形相交单元，产生锯齿形内面

步骤5：对锯齿形内面进行光顺，得到光顺后内面

首先删除物面内以及与物面相交的单元，网格与物面之间将存在一定的间隙，与间隙层相邻的网格面(本文中称为内面)呈锯齿形，如图4d所示。在非结构直角网格粘性层生成过程中，需要先对内面进行光顺，光顺后内面效果如图4e；

步骤6：对光顺后内面进行相贯线修正和投影

(1)首先对输入的物形背景网格进行分析，找到物形上空间坐标导数不连续的位置，提取出相贯线。在这一步中，可以根据得到的相贯线将物形划分成不同区域，如生成圆柱外形网格时，圆柱底面与侧面交线为提取出的相贯线，则底面与侧面被相贯线分割为两个区域；

(2)将物形上相贯线向内面逆向投影，得到相贯线在内面上的投影线。由于内面为离散的网格面，要求投影线必须落在内面的网格线上，根据投影线可以将内面划分为与物形区域一一对应的区域。图4e中粗的黑实线即为圆柱相贯线在内面上投影得到的投影线，根据此投影线可以将内面划分为两部分，一部分与圆柱底面对应，一部分与圆柱侧面对应；

(3)将内面上各网格点向物形上对应区域投影。投影时处于投影线上的网格点只能向对应的相贯线投影，在此限制条件下至少有一条连续的内面网格线投影到相贯线上，由于原内面投影线是从物形上相贯线向内面逆向投影得到，因此从内面投影线向相贯线的投影是内面各网格线往相贯线上投影距离均方差最小的一条网格线，图4f所示为采用相贯线修正方法得到的物面网格；

(4)投影结束后即得到投影层网格，对投影层网格按设置参数进行分层加密，即可得到粘性层网格，图4g所示即为圆柱对称截面上粘性层网格示意图；

步骤7：计算网格量并输出网格信息

输出网格信息。输出网格中各单元面面积、各单元体体积、网格中各网格点坐标等数值计算中需要的参数。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种非结构直角网格相贯线修正方法，包括以下步骤：

对物体形状进行描述生成背景网格的步骤；

设置网格生成参数的步骤；

根据背景网格及设置参数生成叉树结构的步骤；

删除物形以内以及与物形相交单元，产生锯齿形内面的步骤；

对锯齿形内面进行光顺，得到光顺后内面的步骤；

对光顺后内面进行相贯线修正和投影的步骤；

计算网格量并输出网格信息的步骤，

其特征在于：所述对光顺后的间隙层进行投影和相贯线修正的步骤包括以下过程：

(1)从物形上空间坐标导数不连续的位置提取相贯线，并根据相贯线将物形划分成不同区域；

(2)将所述相贯线向内面逆向投影，得到相贯线在内面上的投影线，并根据投影得到的投影线将内面进行划分获得与步骤(1)物形划分后一一对应的区域；

(3)将内面上各区域网格点向物形上对应区域投影得到投影层；将内面上各区域网格点向物形上对应区域投影时，位于投影线上的网格点仅向对应的相贯线投影，至少有一条连续的内面网格线投影到相贯线上；

(4)对步骤(3)得到的投影层进行分层加密，得到粘性层网格。

2.如权利要求1所述的一种非结构直角网格相贯线修正方法，其特征在于：在所述步骤(1)中提取相贯线的方法为：从物形背景网格中，提取网格线左右网格面法线夹角大于设定阈值处视为左右空间坐标导数不连续的位置，并将该位置相连得到相贯线。

3.如权利要求1所述的一种非结构直角网格相贯线修正方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，将所述相贯线向内面投影时，要求投影点位于内面网格点或内面网格线上，且所有投影点的连线为内面上连续的网格线。